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太陽,是一顆普通的恆星,質量為1.989X1030億千克 (約為地球質量的33萬倍)、直徑139.2萬km(約為地球直徑的109倍),太陽表面是熱氣體(嚴格說是等離子體)球,太陽的年齡約為46億年。太陽是距離地球最近的恆星,是太陽系的中心天體。太陽系質量的99.87%都集中在太陽。太陽系中的八大行星、小行星、流星、彗星、外海王星天體以及星際塵埃等,都圍繞著太陽運行(公轉)。

1 太陽 -概述

太陽太陽

太陽是銀河系的一顆普通恆星,與地球平均距離14960萬千米,直徑139萬千米,平均密度1.409克/,質量1.989×10^33克,表面溫度5770開,中心溫度1500萬開。由里向外分別為太陽核反應區、太陽對流層、太陽大氣層。其中心區不停地進行熱核反應,所產生的能量以輻射方式向宇宙空間發射。其中二十二億分之一的能量經過大約8分鐘輻射到地球,成為地球上光和熱的主要來源。恆星也有自己的生命史,它們從誕生、成長到衰老,最終走向死亡。它們大小不同,色彩各異,演化的歷程也不盡相同。恆星與生命的聯繫不僅表現在它提供了光和熱。實際上構成行星和生命物質的重原子就是在某些恆星生命結束時發生的爆發過程中創造出來的。太陽的年齡約為46億年,它還可以繼續燃燒約50億年。在其存在的最後階段,太陽中的氦將轉變成重元素,太陽的體積也將開始不斷膨脹,直至將地球吞沒。在經過一億年的紅巨星階段后,太陽將突然坍縮成一顆白矮星--所有恆星存在的最後階段。再經歷幾萬億年,它將最終完全冷卻,然後慢慢地消失在黑暗裡。太陽是距離地球最近的恆星,是太陽系的中心天體。體積是地球的130萬倍。在銀河系內一千多億顆恆星中,太陽只是普通的一員,它位於銀河系的對稱平面附近,距離銀河系中心約26000光年,在銀道面以北約26光年, 它一方面繞著銀心以每秒250公里的速度旋轉,另一方面又相對於周圍恆星以每秒19.7公里的速度朝著織女星附近方向運動。其中心區不停地進行熱核反應,所產生的能量以輻射方式向宇宙空間發射。

自轉

地球自轉不能以雲層或海洋為依據,太陽自轉也不能看表面,但人們無法知道其內部情況,所以無法知道太陽自轉數據。人們只看到太陽是流體星球,其它都是推測。

公轉

太陽繞銀河系中心公轉。銀河系中心可能有巨大黑洞,但它周圍布滿了恆星,所以看上去象「銀盤」。這些恆星都繞「銀核」公轉。與地球公轉不同,這些恆星公轉每繞一周離「銀核」會更近。

2 太陽 -主要參數

太陽太陽

名稱:太陽
半徑:696295 千米.
質量:1.989×1030 千克
溫度:5800 ℃ (表面) 1560萬℃ (核心)
總輻射功率:3.83×1026 焦耳/秒
平均密度:1.409 克/立方厘米
日地平均距離:1億5千萬千米
年齡:約50億年

3 太陽 -輻射光度

輻射

到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位於日地平均距離處時,地球大氣上界垂直於太陽光線的單位面積在單位時間內所受到的太陽輻射的全譜總能量,稱為太陽常數。太陽常數的常用單位為瓦/米2。因觀測方法和技術不同,得到的太陽常數值不同。世界氣象組織 (WMO)1981年公布的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15~4.0微米之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區(波長0.4~0.76微米),7%在紫外光譜區(波長0.76微米),最大能量在波長 0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長(約3~120微米)小得多,所以通常又稱太陽輻射為短波輻射,稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化。

光度
太陽太陽黑子

太陽光度為383億億億瓦,絕對星等為4.8,他是一顆黃色G2型矮星,有效溫度等於開氏5800度。太陽與在軌道上繞它公轉的地球的平均距離為149597870km(499.005光秒或1天文單位)。按質量計,它的物質構成是71%的氫、26%的氦和少量重元素。太陽圓面在天空的角直徑為32角分,與從地球所見的月球的角直徑很接近,是一個奇妙的巧合(太陽直徑約為月球的400倍而離我們的距離恰是地月距離的400倍),使日食看起來特別壯觀。由於太陽比其他恆星離我們近得多,其視星等達到-26.8,成為地球上看到最明亮的天體。太陽每25.4天自轉一周(平均周期;赤道比高緯度自轉得快),每2億年繞銀河系中心公轉一周。太陽因自轉而呈輕微扁平狀,與完美球形相差0.001%,相當於赤道半徑與極半徑相差6km(地球這一差值為21km,月球為9km,木星9000km,土星5500km)。差異雖然很小,但測量這一扁平性卻很重要,因為任何稍大一點的扁平程度(哪怕是0.005%)將改變太陽引力對水星軌道的影響,而使根據水星近日點進動對廣義相對論所做的檢驗成為不可信。

4 太陽 -主要作用

太陽的巨大引力維持著地球等行星的公轉。

太陽每時每刻都在向地球傳送著光和熱,有了太陽光,地球上的植物才能進行光合作用。植物的葉子大多數是綠色的,因為它們含有葉綠素。葉綠素只有利用太陽光的能量,才能合成種種物質,這個過程就叫光合作用。據計算整個世界的綠色植物每天可以產生約4億噸的蛋白質、碳水化合物和脂肪,與此同時,還能向空氣中釋放出近5億噸的氧,為人和動物提供了充足的食物和氧氣。

5 太陽 -結構組成

太陽太陽
化學成分

氫約佔71%,氦約佔27%,其它元素佔2%

組成

太陽從中心向外可分為核反應區、輻射區、對流層和大氣層。由於太陽外層氣體的透明度極差,人類能夠直接觀測到的是太陽大氣層,從內向外分為光球、色球和日冕3層。

光球層:光球表面另一種著名的活動現象便是太陽黑子。黑子是光球層上的巨大氣流旋渦,大多呈現近橢圓形,在明亮的光球背景反襯下顯得比較暗黑,但實際上它們的溫度高達4000℃左右,倘若能把黑子單獨取出,一個大黑子便可以發出相當於滿月的光芒。日面上黑子出現的情況不斷變化,這種變化反映了太陽輻射能量的變化。太陽黑子的變化存在複雜的周期現象,平均活動周期為11.2年。

太陽玫瑰色的色球層開始露出

色球層: 緊貼光球以上的一層大氣稱為色球層,平時不易被觀測到,過去這一區域只是在日全食時才能被看到。當月亮遮掩了光球明亮光輝的一瞬間,人們能發現日輪邊緣上有一層玫瑰紅的絢麗光彩,那就是色球。色球層厚約8000千米,它的化學組成與光球基本上相同,但色球層內的物質密度和壓力要比光球低得多。日常生活中,離熱源越遠處溫度越低,而太陽大氣的情況卻截然相反,光球頂部接近色球處的溫度差不多是4300℃,到了色球頂部溫度竟高達幾萬度,再往上,到了日冕區溫度陡然升至上百萬度。人們對這種反常增溫現象感到疑惑不解,至今也沒有找到確切的原因。

日珥: 在色球上人們還能夠看到許多騰起的火焰,這就是天文上所謂的「日珥」。日珥是迅速變化著的活動現象,一次完整的日珥過程一般為幾十分鐘。同時,日珥的形狀也可說是千姿百態,有的如浮雲煙霧,有的似飛瀑噴泉,有的好似一彎拱橋,也有的酷似團團草叢,真是不勝枚舉。天文學家根據形態變化規模的大小和變化速度的快慢將日珥分成寧靜日珥、活動日珥和爆發日珥三大類。最為壯觀的要屬爆發日珥,本來寧靜或活動的日珥,有時會突然"怒火衝天",把氣體物質拚命往上拋射,然後迴轉著返回太陽表面,形成一個環狀,所以又稱環狀日珥。

日冕: 日冕的範圍在色球之上,一直延伸到好幾個太陽半徑的地方。日冕里的物質更加稀薄,它還會有向外膨脹運動,並使得熱電離氣體粒子連續地從太陽向外流出而形成太陽風。

6 太陽 -運行軌道

太陽位於銀道面之北的獵戶座旋臂上,距離銀河系中心約26000光年,在銀道面以北約26光年, 它一方面繞著銀心以每秒250公里的速度旋轉(周期大概是2.5億年),另一方面又相對於周圍恆星以每秒19.7公里的速度朝著織女星附近方向運動。太陽也在自轉,其周期在日面赤道帶約25天;兩極區約為35天。

7 太陽 -生命周期

太陽日冕

太陽所處的主序星階段,通過對恆星演化及宇宙年代學模型的計算機模擬,已經歷了大約45.7億年。45.9億年前一團氫分子云的迅速坍縮形成了一顆第三代第一星族的金牛T星,即太陽。這顆新生的恆星沿著距銀河系中心260,000光年的近乎圓形軌道運行。

太陽在其主序星階段已經到了中年期,在這個階段它核心內部發生的恆星核合成反應將氫聚變為氦。在太陽的核心,每秒能將超過400萬噸物質轉化為能量,生成中微子和太陽幅射。以這個速度,太陽至今已經將大約100個地球質量的物質轉化成了能量。太陽作為主序星的時間大約持續100億年。

太陽的質量不足以爆發為超新星。在50~60億年後,太陽將轉變成紅巨星,當其核心的氫耗盡導致核心收縮及溫度升高時,太陽外層將會膨脹。當其核心溫度升高到 100,000,000 K時,將發生氦的聚變而產生碳,從而進入漸近巨星分支。

紅巨星階段之後,由熱產生的強烈脈動會拋掉太陽的外殼,形成行星狀星雲。失去外殼后剩下的只有極為熾熱的恆星核,它將會成為白矮星,在漫長的時間中慢慢冷卻和暗淡下去。這就是中低質量恆星的典型演化過程。

8 太陽 -主要活動

太陽太陽黑子

太陽看起來很平靜,實際上無時無刻不在發生劇烈的活動。傳統上,講太陽分為活動太陽和寧靜太陽兩部分。現在的研究發現,寧靜太陽也是存在太陽活動的,只是尺度較小。太陽表面和大氣層中的活動現象,主要有三種即:活動日珥、耀斑和日冕物質拋射。后兩者拋射出大量的等離子體和磁場結構以及能量,使太陽風大大增強,造成許多地球物理現象──例如極光增多、大氣電離層和地磁的變化。太陽活動和太陽風的增強還會嚴重干擾地球上無線電通訊及航天設備的正常工作,使衛星上的精密電子儀器遭受損害,地面電力控制網路發生混亂,甚至可能對太空梭和空間站中宇航員的生命構成威脅。因此,監測太陽活動和太陽風的強度,適時作出"空間氣象"預報,越來越顯得重要。   

太陽黑子

太陽黑子4000年前古時候祖先肉眼都看到了像3條腿的烏鴉的黑子通過一般的光學望遠鏡觀測太陽,觀測到的是光球層的活動。在光球上常常可以看到很多黑色斑點,它們叫做「太陽黑子」。太陽黑子在日面上的大小、多少、位置和形態等,每天都不同。太陽黑子是光球層物質劇烈運動而形成的局部強磁場區域,也是光球層活動的重要標誌。長期觀測太陽黑子就會發現,有的年份黑子多,有的年份黑子少,有時甚至幾天,幾十天日面上都沒有黑子。天文學家們早就注意到,太陽黑子從最多或最少的年份到下一次最多或最少的年份,大約相隔11年。也就是說,太陽黑子有平均11的活動周期,這也是整個太陽的活動周期。天文學家把太陽黑子最多的年份稱之為「太陽活動高峰年」,把太陽黑子最少的年份稱之為「太陽活動低峰年」。
  

太陽耀斑

太陽耀斑是一種最劇烈的太陽活動。一般認為發生在色球層中,所以也叫「色球爆發」。其主要觀測特徵是,日面上(常在黑子群上空)突然出現迅速發展的亮斑閃耀,其壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間,亮度上升迅速,下降較慢。特別是在太陽活動峰年,耀斑出現頻繁且強度變強。 耀斑對地球空間環境造成很大影響。太陽色球層中一聲爆炸,地球大氣層即刻出現繚繞餘音。此外,耀斑對氣象和水文等方面也有著不同程度的直接或間接影響。正因為如此,人們對耀斑爆發的探測和預報的關切程度與日俱增,正在努力揭開耀斑的奧秘。

日冕物質拋射

日冕物質拋射一般表現為幾分鐘至幾小時內從太陽向外拋射的一團日冕物質(速度一般從每秒幾十公里直到超過每秒1000公里),是很大範圍內的日冕(近乎1個日輪面積)受到擾動(以類似「波」的形式),從而劇烈的改變了日冕在白光波段的宏觀形態以及相應的磁場位形。

太陽太陽噴射出的一個離子環。

觀測上定義日冕物質拋射為日冕儀在天空投影平面內遮光板以外所觀測到的向外傳播的日冕亮結構。通過近年來的研究,越來越多研究者傾向於把耀斑和日冕物質拋射聯合起來的看待,即認為它們是統一過程(太陽大氣中的磁重聯過程)在太陽不同層次上的具體反映。

光斑(譜斑)

太陽光球層上比周圍更明亮的斑狀組織。用天文望遠鏡對它觀測時,常常可以發現:在光球層的表面有的明亮有的深暗。這種明暗斑點是由於這裡的溫度高低不同而形成的,比較深暗的斑點叫做「太陽黑子」,比較明亮的斑點叫做「光斑」。光斑常在太陽表面的邊緣「表演」,卻很少在太陽表面的中心區露面。因為太陽表面中心區的輻射屬於光球層的較深氣層,而邊緣的光主要來源光球層較高部位,所以,光斑比太陽表面高些,可以算得上是光球層上的「高原」。

米粒組織

米粒組織是太陽光球層上的一種日面結構。呈多角形小顆粒形狀,得用天文望遠鏡才能觀測到。米粒組織的溫度比米粒間區域的溫度約高300℃,因此,顯得比較明亮易見。雖說它們是小顆粒,實際的直徑也有1000公里~2000公里。 有趣的是在老的米粒組織消逝的同時,新的米粒組織又在原來位置上很快地出現,這種連續現象就像我們日常所見到的沸騰米粥上不斷地上下翻騰的熱氣泡。

9 太陽 -產生能量

太陽太陽

作為一顆恆星太陽,其總體外觀性質是,光度為383億億億瓦,絕對星等為4.8,他是一顆黃色G2型矮星,有效溫度等於開氏5800度。太陽與在軌道上繞它公轉的地球的平均距離為149597870km(499.005光秒或1天文單位)。按質量計,它的物質構成是71%的氫、26%的氦和少量重元素。太陽圓面在天空的角直徑為32角分,與從地球所見的月球的角直徑很接近,是一個奇妙的巧合(太陽直徑約為月球的400倍而離我們的距離恰是地月距離的400倍),使日食看起來特別壯觀。由於太陽比其他恆星離我們近得多,其視星等達到-26.8,成為地球上看到最明亮的天體。太陽每25.4天自轉一周(平均周期;赤道比高緯度自轉得快),每2億年繞銀河系中心公轉一周。太陽因自轉而呈輕微扁平狀,與完美球形相差0.001%,相當於赤道半徑與極半徑相差6km(地球這一差值為21km,月球為9km,木星9000km,土星5500km)。差異雖然很小,但測量這一扁平性卻很重要,因為任何稍大一點的扁平程度(哪怕是0.005%)將改變太陽引力對水星軌道的影響,而使根據水星近日點進動對廣義相對論所做的檢驗成為不可信。

太陽風

太陽風是一種連續存在,來自太陽並以200-800km/s的速度運動的等離子體流。這種物質雖然與地球上的空氣不同,不是由氣體的分子組成,而是由更簡單的比原子還小一個層次的基本粒子——質子和電子等組成,但它們流動時所產生的效應與空氣流動十分相似,所以稱它為太陽風。

太陽光

到達地球大氣上界的太陽輻射能量稱為天文太陽輻射量。在地球位於日地平均距離處時,地球大氣上界垂直於太陽光線的單位面積在單位時間內所受到的太陽輻射的全譜總能量,稱為太陽常數。太陽常數的常用單位為瓦/米2。因觀測方法和技術不同,得到的太陽常數值不同。世界氣象組織 (WMO)1981年公布的太陽常數值是1368瓦/米2。地球大氣上界的太陽輻射光譜的99%以上在波長 0.15~4.0微米之間。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區(波長0.4~0.76微米),7%在紫外光譜區(波長<0.4微米),43%在紅外光譜區(波長>0.76微米),最大能量在波長 0.475微米處。由於太陽輻射波長較地面和大氣輻射波長(約3~120微米)小得多,所以通常又稱太陽輻射為短波輻射,稱地面和大氣輻射為長波輻射。太陽活動和日地距離的變化等會引起地球大氣上界太陽輻射能量的變化。 地球上除原子能和火山、地震以外,太陽能是一切能量的總源泉。

10 太陽 -天體衛星

太陽太陽

衛星是指圍繞行星所運行的天體。衛星分為天然衛星和人造衛星,其中,木星的天然衛星最多。在太陽系裡,除水星和金星以外,其他行星都有天然衛星。行星的氣體和塵埃會碰撞、合併。沒有組成行星的天體除了天然衛星,還有小行星、彗星等。

火星的兩顆衛星是霍爾在海軍天文台發現的。以往的觀測沒能發現它們是因為這兩顆衛星異常得渺小。霍爾把外層的衛星叫做火衛二,內層的叫做火衛一。

木星是太陽系衛星較多的一顆行星,木星的衛星是按照發現的先後順序編號的。1610年,伽利略用自製的天文望遠鏡觀測到4顆衛星。天文家門為了紀念伽利略的這一重大發現,將這4顆衛星命名為伽利略衛星。這4顆衛星由內到外依次是依奧,歐羅拔,嘉里美,卡利斯托。它們分別被簡稱為木衛一,木衛二,木衛三,木衛四,它們的表面特徵很不一樣。木衛一是至今在太陽系所觀測到的火山活動最為頻繁的激烈的天體,這一發現給天文學家們對太陽系天體研究提供了新的啟示。木衛二體積比月球小,但密度和月球差不多。木衛三是木星最大的一顆衛星。木衛四的表面布滿了密密麻麻的損石坑。

木星的衛星形態各種各樣、五花八門。最著名的土衛六上有大氣,是目前發現的太陽系衛星中,唯一存在大氣的天體。土星是太陽系衛星最多的一顆行星,周圍有很多大大小小的衛星圍繞著它旋轉,就像一個家族。目前為止,一共發現了23顆。

天王星與太陽系中的其他天體不同,天王星的衛星並不是以古代神話中的人物而命名的,而是用莎士比亞和羅馬教皇作品中人物的名字命名的。天王星也有很多衛星,其中有直徑470公里的很大的衛星。

海王星是環繞太陽運行的一顆淡藍色的行星,是典型的氣體行星。海王星有8顆衛星。以前認為海王星只有2顆衛星,即海衛一和海衛二。通過探測發現了6顆較小的衛星,從而海王星的衛星達到了8顆。

衛星查龍的大小占冥王星的一半以上。冥王星與衛星查龍之間的距離僅有2萬公里。冥王星的公轉周期和衛星查龍的公轉周期是一樣的。

11 太陽 -研究歷史

人類對太陽的觀測可以追溯到公元前2000年,在中國古代的典籍《尚書》中記載了發生在夏代的一次日食。中國古代漢字中用⊙代表太陽,表明中國很早以前就已看到了太陽黑子。《漢書·五行志》中記載了人類最早的黑子記錄:「日出黃,有黑氣大如錢,居日中央。」公元前400年,希臘人曾經看到過太陽黑子,但在歐洲被遺忘,直到1605年伽利略通過望遠鏡重新發現了它。

太陽太陽

1239年,俄羅斯的編年史中曾提到過日珥,稱其為「火舌」,1842年在一次日食中重新發現了日珥。1843年,Schwabe發現了太陽活動的11年周期,1851年在一次日食中拍攝到了第一張日冕的照片。1859年人們發現了太陽耀斑。

英國物理學家牛頓使用三稜鏡將太陽光分解為光譜,發現太陽光是由七種顏色的光混合而成的。英國天文學家威廉·赫歇爾在太陽光中發現了紅外線。1824年,夫琅禾費發現了太陽光譜中的譜線,1868年又在太陽光譜中發現了一種新的元素,取名為氦(helium,意為太陽神),次年又發現了新的譜線,認為是另外一種元素,定名為coronium,后證明這只是普通元素的高電離態譜線。

1908年,美國天文學家海耳發現黑子具有很強的磁場。1930年發明了日冕儀,使得隨時觀測日冕成為可能。1938年,漢斯·貝特提出了恆星內部質子-質子鏈反應和碳氮氧循環兩種核反應過程,闡明了太陽的能源機制。

20世紀70年代以來,空間天文的迅速發展大大促進了太陽的研究。1971年,OSO-7衛星觀測到了日冕物質拋射,1975年Deubner奠定了日震學的基礎。美國的天空實驗室搭載的X射線望遠鏡觀測了太陽的X射線輻射。1980年代SMM衛星首次在硬X射線波段對耀斑進行了成像。1990年,美國發射了尤里西斯號探測器觀測太陽的極區。其他太陽觀測衛星還有美國1995年發射的SOHO衛星、1998年發射的TRACE衛星、2002年發射的RHESSI衛星、2006年發射的STEREO衛星,日本1991年發射的陽光衛星(Solar-A)、2006年發射的日出衛星(Solar-B)等。

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